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In-stream microbial carbon transformation under opposing stresses - drought and sediment transport
(2018)
The mineralization of organic matter (OM) is an important ecosystem service that has come under pressure because of increased frequency of droughts and higher sediment loads in running waters. In particular, lowland streams in temperate regions may experience reinforced sediment transport through migratory ripples and changes of naturally sorted sand and gravel in streambeds towards sand-dominated, homogenized streambed structure. The impact on microbial carbon (C)-transformation from these changes was the main focus of my doctoral thesis, in particular the impact of (i) periodic mechanical disturbance associated with ripple migration (ii) streambed structure homogenization, and (iii) drought in streambeds with sorted or homogenized sediment structure.
In a set of microcosms, the significance of periodic mechanical disturbances for microbial C-transformation was tested. Thereby, the quantity and quality of the OM in the sandy sediments were varied by the addition of leaves and fish feces to the OM-poor sands. The results revealed that periodic mechanical disturbances resulted in significant decrease in microbial respiration to a low and similar level regardless of OM quality contained in sand.
The importance of the streambed structure (sorted vs homogenized) for C-transformation was tested using set of experimental streams. The focus was on the interaction between benthic and hyporheic microbial processes in C-transformation to better understand the consequences of streambed homogenization on microbial function. The results showed that sediment structure determines connectivity between the benthic and hyporheic zones. The lower water exchange in homogenized streambeds and thereby reduced supply of freshly produced bioavailable OM from the benthic to the hyporheic zone, curtailed microbial respiration in the latter affecting the water quality.
The influence of a drought and rewetting was tested on C-transformation in streambeds with a sorted or homogenized sediment structure using experimental streams where one half of the streams were strongly shaded and the other half moderately shaded. The results showed that streambeds affected by droughts, either with sorted or homogenized sediment structure have a similar microbial activity at the first place controlled by shading, whereas microbial composition during drought and its recovery after rewetting was additionally affected by sediment structure.
Overall, this doctoral thesis showed that in sediment transport– and drought-impacted streambeds (i) ripple migration results in decreased C-transformation regardless of the available quality of OM, (ii) homogenization of sorted sediment structure leads to a decrease in microbial C-transformation in the hyporheic zone, and (iii) interaction between sediment structure and shading alters microbial community composition especially critical for resistance and resilience of C-transformation during drought and rewetting.
Vor dem Hintergrund der EG WRRL besteht ein großer Bedarf an effektiven Maßnahmen zur Gewässerentwicklung. Das Belassen und der Einbau von Holz haben hierfür durch die Aktivierung fließgewässertypischer Prozesse ein großes Potenzial. Ziel war es daher, Handlungsempfehlungen für das Belassen und den naturnahen Einsatz von Holz in Tieflandbächen zu entwickeln. Diese basieren auf Grundlage des aktuellen Wissensstandes und eigenen Untersuchungen zu offenen Fragen. In den eigenen Untersuchungen wurden Holz- bzw. Maßnahmenstrecken mit unveränderten bzw. holzfreien Kontrollstrecken in Tieflandbächen und –flüssen verglichen, hauptsächlich hinsichtlich ökologischer Zustandsbewertung des Makrozoobenthos und der Fische, der Gewässerstruktur und der Holzmengen bzw. der Holzdynamik. Die eigenen Untersuchungen zeigten:
1. Die Wirkungszusammenhänge zwischen Holz und Organismen des Makrozoobenthos waren auch in der Zustandsbewertung nach EG WRRL feststellbar. Holz führte unabhängig von Gewässertyp und –größe zur Verbesserung der Strukturgüte und des ökologischen Zustands beim Makrozoobenthos. Die Zustandsbewertung wurde in 45 % der untersuchten Strecken (N = 31) soweit verbessert, dass der „gute“ und sogar „sehr gute“ ökologische Zustand erreicht wurde.
2. Eingebaute Strömungslenker aus Holz können den natürlichen Eintrag nicht vollständig ersetzen. Strömungslenker erzielten nur teilweise Verbesserungen der Gewässerstruktur und des ökologischen Zustands. In den 7 untersuchten Strecken wurde die Tiefenvariabilität im Längsprofil durch die Bildung von Kolken gesteigert. Sinuosität, Querprofil, Sohlsubstrat und der ökologische Zustand des Makrozoobenthos und der Fische wurden aber nur kaum beeinflusst.
3. Der Einbau von Holz beeinflusst die Dynamik und Retention von Driftholz und führt zu einer Steigerung der Holzmenge in einer Gewässerstrecke. In einer 400 m langen Strecke eines Tieflandflusses mit Strömungslenkern aus Holz und natürlichem Holzeintrag wurde die eingebaute Holzmenge durch die zusätzliche Retention von Driftholz nach vier Jahren bereits um 60 % im Volumen und um 240 % in der Holzoberfläche erhöht. Der kontinuierliche Austrag von Holz aus der Strecke wurde durch neuen Eintrag und die Retention in der Strecke kompensiert.
In den Handlungsempfehlungen für die Praxis wurde herausgearbeitet, dass die Förderung des natürlichen Holzeintrags prinzipiell Priorität gegenüber dem Einbau von Holz hat. Für drei Restriktionsgrade von gering bis hoch wurden Empfehlungen für einen möglichst naturnahen Holzeinsatz entwickelt, der zudem natürlichen Holzeintrag berücksichtigt. Grundlage der Empfehlungen sind Angaben zum Holzvolumen, dem Deckungsgrad, der Anzahl an Stämmen sowie dem Verbauungsgrad von Holzeinbauten und deren Lage zur Fließrichtung. Ergänzt werden die Angaben durch die Kategorisierung von 6 Grundtypen natürlicher Holzstrukturen.
Processes of microbial carbon transformation and accumulation during initial stream succession were investigated. Studies were carried out in the experimental watershed Chicken Creek, constructed to investigate ecosystem succession, and additionally in experimental flumes simulating sand-bed streams. In a one year investigation, microbial respiration in soils and sediments along the hydrologic flow path of three stream corridors in the Chicken Creek watershed was measured. Contrary to expectation, respiration rates of rewetted soil and sediment from dry stream channels were similar to rates measured with sediments collected in the perennial channel sections. This suggested that permanent water availability was not a main factor determining metabolic potential in this early successional watershed. In an outdoor flume experiment it was determined whether shallow (1cm) and deep (4cm) sediment disturbances in small sand-bed streams have similar effects on whole-stream metabolism, and whether autotrophic and heterotrophic processes and organisms respond in similar ways. Results suggested that disturbing sediments during early successional stages had no effect on whole-stream metabolism, whereas in advanced stages, deep but not shallow sediment disturbance could lead to a transitory shift towards heterotrophy. Changes in riparian and in-stream vegetation during stream succession come along with different amounts and types of organic matter input in stream ecosystems. It was tested to determine if increasing quality and quantity of litter input changes whole-stream metabolism and activity and structure of microbial communities associated with sediments and leaves. Whole-stream metabolism was found to be similar in all treatments because sediments and leaves were constrained by oxygen and nutrient availability. There seemed to be compensation between the effect of algae fueling microbial activity in open-land treatments and microbial use of allochthonous carbon sources in the litter treatments. Fungal and bacterial activity associated with leaves was unaffected by the background litter standing stock, but the structure of communities was affected. However, leaf quality had a clear effect on microbial activity and community structure with higher activity on tree compared to grass leaves.
Hohe Nährstoffkonzentrationen können aquatische Ökosysteme stark belasten. Bei der integrierten Gewässerbewirtschaftung kommt der Quantifizierung der natürlichen Nährstoffsenken eine große Bedeutung zu. Für den anorganischen Stickstoff sind dies die biogene Assimilation und die benthische Denitrifikation. Denitrifikation wurde bisher vor allem auf der Prozessskala untersucht, eine räumlich differenzierte Erfassung auf mesoskaliger Ebene ist noch nicht erfolgt. Hauptziel dieser Arbeit ist die räumlich aufgelöste Quantifizierung des Nährstoffumsatzes - mit besonderer Berücksichtigung der Stickstoffretention – am Beispiel eines 70 km langen Flussabschnitts der Weißen Elster. Dies wird anhand von Längsschnitt- und Tag/Nacht-Beprobungen, bei denen auch der benthische Biofilm und die Sedimente berücksichtigt wurden, analysiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Durchführung von Modellanalysen. Es wurde eine modifizierte Version des Gewässergütemodells WASP verwendet. Damit wurden die Sensitivitäten morphologischer Faktoren untersucht sowie die Einfluss von Renaturierungsmaßnahmen auf den Nährstoffhaushalt analysiert. Unter sommerlichen Verhältnissen wurde eine erhebliche Stickstoffretention nachgewiesen. Auf der 70 km langen Fließstrecke werden bis zu 32% der in das Gewässer eingetragenen N-Fracht durch Denitrifikation eliminiert. Die Denitrifikation schwankt räumlich sehr stark: Der Stickstoffrückhalt liegt zwischen 0,2 und 1,25 mgN/(l·d), die mittlere Denitrifikationsrate schwankt zwischen 240 mgN/(m2d) in einem kanalisierten Abschnitt und 639 mgN/(m2d) in einem naturnahen Bereich. Von den untersuchten morphologischen Faktoren hat die Länge der Fließstrecke den größten Einfluss auf den Stickstoffrückhalt. Eine Verlängerung der Fließstrecke um 10% bewirkt eine Verringerung der Nitrat-Konzentration um 2,7%. Die Auswirkungen der im Rahmen einer Szenarienanalyse betrachteten Renaturierungsmaßnahmen auf die Stickstoffbelastung sind gering.